进水C/N对A2/O-BCO工艺反硝化除磷特性的影响

张 淼,彭永臻,张建华,王 聪,王淑莹,曾 薇



进水C/N对A2/O-BCO工艺反硝化除磷特性的影响

张 淼,彭永臻*,张建华,王 聪,王淑莹,曾 薇

(北京工业大学北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100124)

采用厌氧/缺氧/好氧与生物接触氧化工艺组成的双污泥系统(A2/O-BCO)处理实际生活污水.通过投加乙酸钠调节进水碳氮比(C/N=2.44~8.85),考察了系统的反硝化除磷特性.试验结果表明:进水有机物主要是通过改变硝化性能(即缺氧段反硝化负荷)以及聚-β-羟基链烷酸脂(PHA)的贮存和利用,进而影响系统的脱氮除磷效果.当进水C/N为4~5时,COD、TN和PO43--P去除率分别达到88%,80%和96%,实现了有机物、氮和磷的同步高效去除.碳平衡分析表明,A2/O反应器去除的COD占去除总量的71.86%~77.28%,BCO反应器去除的COD仅占2%~12%,碳源的高效利用是A2/O-BCO工艺在低C/N条件下实现深度脱氮除磷的重要原因.此外,通过进水C/N与曝气量、硝化液回流比、厌/缺氧反应时间等相关性的分析,提出了系统的优化运行策略.

A2/O-BCO；C/N；反硝化除磷；生活污水；优化运行

随着水体富营养化的日益严重以及排放标准的不断提高,厌氧/缺氧/好氧(A2/O)工艺,分段进水,多级厌氧/缺氧(A/O)串联,开普敦大学研发的UCT工艺以及改良UCT(MUCT)等多种脱氮除磷工艺应运而生[1-4].传统脱氮除磷(BNR)工艺中存在异养菌、反硝化菌和聚磷菌对进水碳源的竞争,在单污泥系统中聚磷菌和硝化菌还存在泥龄上的矛盾,使得污水处理中氮、磷很难同时稳定达标[5].

在实际工程应用中,由于水质波动大、技术管理复杂、处理效果不稳定等问题,使得有机碳源成为影响BNR工艺同步脱氮除磷效果的关键因素[6].有研究表明制革废水实现完全反硝化,进

水碳氮比(C/N)需要大于8[7],而实际生活污水的进水C/N往往低于6[8].绝大多数污水处理厂主要考虑外加碳源(如甲醇、乙醇、乙酸和葡萄糖等)或者将富含可生物降解有机物的工业废水投加到城市污水中,MacDonal等调查研究表明:采用甲醇作为外加碳源的处理成本占污水厂运行管理成本的70%之多[9],大大增加了污水处理的运行费用.因此,对于低C/N(C/N<5)污水,传统工艺往往不能满足排放标准的要求,再加上低温问题[10],许多污水处理厂的升级改造面临着严峻的挑战[11].

反硝化聚磷菌(DNPAOs)的发现使生物除磷和同步反硝化脱氮成为可能,为解决上述问题提供了新的思路[12].在厌/缺氧交替运行条件下,DNPAOs与传统聚磷菌(PAOs)有相似的代谢机理[13],可节省30%的曝气能耗,同时减少50%的碳源和污泥产量[14],具有很好的应用前景.反硝化除磷技术主要分为单污泥工艺和双污泥工艺两大类,虽然单污泥系统(如UCT、MUCT等工艺)也存在反硝化除磷现象,但研究表明DEPHANOX、A2N、A2/O-BAF、A2/O-生物接触氧化(BCO)等双污泥系统更有优势[15-18].笔者前期对改良型双污泥A2/O-BCO工艺的容积分配比,硝化液回流比,基质转化利用规律以及微生物特性进行了考察[19-21],与A2/O-BAF相比[22-23],该工艺是一种脱氮除磷效果稳定,无污泥膨胀之虞,运行管理方便并深度节能降耗的反硝化除磷系统,一体化廊道式的构造可用于新建污水厂及旧污水厂的改造.

A2/O-BCO系统通过长短泥龄分离,实现“一碳两用”,缓解了不同微生物菌群对碳源的竞争,但作为一种新工艺,碳源对系统长期运行的影响尚不明确.此外,由于环境因素,研究条件以及污泥特性的差异,碳源类型及碳源浓度对脱氮除磷影响的结论也并不统一,且目前对反硝化除磷的研究较少.Lee、葛士建等[24-25]研究发现,采用乙酸或乙酸钠作为外加碳源,具有较高的反硝化速率和较低的污泥产率,当温度为10℃,C/N为2:1时即可实现完全反硝化[26],远远高于甲醇、乙醇、葡萄糖等的比反硝化速率.Oehmen证实与乙酸相比,丙酸是实现PAOs富集的优质碳源[27],但是相比单纯以丙酸作为碳源,少量乙酸的存在能提高60%的丙酸利用率[28].鉴于上述分析,综合考虑选择乙酸钠作为外加碳源.

本文以实际生活污水为处理对象,在前期试验研究的基础上,通过长达137d的连续运行,考察了投加乙酸钠条件下的进水C/N 对系统反硝化除磷性能的影响;同时考察了运行策略,为A2/O - BCO系统的推广应用以及反硝化除磷性能优化提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验装置

A2/O - BCO系统由原水水箱、A2/O反应器、中间沉淀池(MS)、BCO反应器以及沉淀区顺序连接组成,其中主体反应器材质均为有机玻璃,工艺流程如图1所示.A2/O反应器有效容积42L,进水流量126L/d,均分为7个格室,分别为厌氧区(An),缺氧区(A1~ A5)和好氧区(O),即容积分配比为1:5:1.厌氧区和缺氧区设有搅拌,好氧区停留时间较短,溶解氧1.0 ~ 1.5mg/L,进一步吸磷的同时用于吹脱反硝化过程产生的氮气,便于后续的泥水分离.反应器平均污泥浓度为1800 ~ 2000mg/L,污泥龄(SRT)为(12±2)d. A2/O反应器出水进入中间沉淀池实现泥水分离,中间沉淀池有效容积15L,沉淀污泥回流到A2/O反应器的厌氧区,污泥回流比= 100%

中间沉淀池的上清液经中间提升泵进入BCO反应器,实现氨氮的氧化,硝化液经沉淀区回流到A2/O反应器的缺氧区,硝化液回流比= 400%.BCO反应器3格串联(记为N1,N2,N3),总有效容积18L,内设聚丙烯悬浮填料,填料形状为圆柱体(尺寸×: 25mm×10mm),填充率为45%;三格溶解氧为3.5~4.5mg/L,总气量为0.18~ 0.20m3/h,生物膜平均生物量为1000~1200mg/L.

1.2 试验安排及污水水质

试验用水取自北京工业大学化粪池的实际生活污水(Run1),属于典型的低C/N污水.本试验连续运行137d,水温(20±2)℃.在监测原水COD和TN浓度后,向原水水箱投加乙酸钠来调节进水C/N,使其在2.44~8.85范围内波动(Run1~Run5),主要考察进水C/N对系统同步脱氮除磷性能的影响.在调节进水C/N的同时,C/P也在随之改变(25.36~84.15),具体的水质特征见表1.

表1 进水水质Table 1 Characteristics of influent wastewater

1.3 常规项目监测

COD的测定采用兰州连华5B - 1型快速测定仪;NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P在水样经0.45μm中速滤纸过滤后,由流动注射分析仪(Lachat Quik-Chem8000,Lachat Instrument, Milwaukee, USA)测定;TN采用TN/TOC分析仪(MultiN/C3100,Analytik Jena, AG)测定;混合液悬浮固体浓度(MLSS)和挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)根据国家标准方法测定[29];聚-β-羟基链烷酸脂(poly-β-hydroxyalkanoates, PHA)采用气相色谱(Agilent 6890N)及DB-1型色谱柱检测[30].

1.4 碳平衡分析方法

采用COD间接表示系统中的碳指标,以稳态条件下的试验数据为基础,对不同工况下的A2/O-BCO系统进行物料平衡分析.进入系统COD(inf)的去除途径主要包括以下几个方面[31]: A2/O反应器厌氧段去除(An),缺氧段反硝化和好氧段氧化(A-O),BCO反应器氧化(BCO),剩余污泥排放(WS),出水残留(eff).具体计算过程如下:

infinfinf(1)

AninfinfinfRS(1)infAn(2)

A-O= (1+)inf·An+·inf·eff-

(1++)·inf·O(3)

BCO(1)infMSinfeffeffeff(4)

WSWSWSCV(5)

effeffeff(6)

式中:inf,WS,eff分别是进水流量,剩余污泥排放量,出水流量(即进水流量),L/d;inf,RS,An,O,MS,eff分别是进水COD浓度,回流污泥携带的COD浓度(即沉淀池COD浓度),厌氧段COD浓度,好氧段COD浓度,沉淀池COD浓度,出水COD浓度,mg/L;为污泥回流比,100%;为硝化液回流比,400%;WS为剩余污泥浓度,mg/L;为MLVSS/MLSS;CV为活性污泥中有机物COD的化学计量系数,计算中取1.48mgCOD/mgMLVSS[32].

2 结果与讨论

2.1 C/N对有机物去除性能的影响

不同进水C/N条件下,系统各阶段COD的去除情况如图2(a)所示.当C/N在2.44 ~ 4.28范围内波动时(Run1,Run2和Run5),厌氧段出水的平均COD浓度为56.9 ~ 68.3mg/L,再经过缺氧区的部分反硝化作用,最终出水的COD浓度可稳定达城镇污水处理厂的一级A排放标准(GB18918 - 2002).但随着C/N的增加(Run3和Run4),厌氧段COD浓度偏高,平均值为108.31,126.42mg/L,导致A2/O反应器出水的COD浓度也呈现上升的趋势;经过BCO反应器中异养菌的进一步同化作用,系统最终出水的COD浓度为48.97, 59.93mg/L.

从图2(b)可以发现,Run1~Run5厌氧段COD去除率为63.63%~75.48%,与之前的研究结论相似[19],作为缺氧吸磷的能量储备,厌氧段是有机物被吸收用于PHA合成的重要场所[33].同时5种工况下A2/O反应器中COD的平均去除率分别为79.09%, 82.84%, 81.98%, 82.56%和79.05%. Cao等[1]研究表明,分段进水工艺在进水C/N<5时可达到74%的碳源利用率,而在改良UCT工艺中,当进水C/N为3.5~5.0用于反硝化除磷的COD仅占(62±6)%[34].相比之下,本研究的双污泥系统在处理低C/N污水,强化碳源利用方面具有明显的优势.

然而,对于C/N为5.92和8.85,COD在厌氧段的去除率、A2/O反应器的去除率和系统的总去除率三者相差较大,部分易降解的COD是在A2/O反应器的缺氧区和BCO反应器中被去除的.上述2种工况对于系统的长期稳定运行存在隐患:一方面,缺氧区反硝化菌会优先利用外碳源进行反硝化,使得DNPAOs的生长受到抑制[35];另一方面,BCO反应器中外碳源的剩余会刺激异养菌大量繁殖,削弱生长速率较低的自养型硝化菌的竞争能力,对硝化性能的稳定是极其不利的[17,36].因此,从有机物去除的角度来说,进水C/N不宜超过5.92.

表2 碳平衡分析Table 2 Material balance analysis of carbon

注: COD平衡百分比= (AnA-OBCOWSeff)/inf.

此外,根据COD的迁移途径可知(表2),5个不同进水C/N条件下,COD平衡百分比均超过95%,可能是由于数据测量误差造成的部分碳损失,但该平衡值远远高于UCT工艺(67%~89.7%)和MUCT工艺(60.7%~87.6%)[37].其中厌氧段去除的COD占总量的百分比分别为49%, 61%, 59%, 64%, 62%.同样在A2/O - BCO系统中,王聪等[31]考察了不同硝化液回流比条件下COD的物料平衡,得出厌氧段利用的COD占57.9%~78.5%,比本研究结果偏高.分析原因可能是由于本研究中厌氧停留时间仅为1.14h (小于文献中的1.6h),较短的反应时间来不及充分利用原水碳源,另外试验条件和经验值取值的不同也可能导致数据的偏差.尽管如此,A2/O反应器去除的COD占71.86%~77.28%,BCO反应器氧化的COD仅占2%~12%,绝大多数碳源还是优先被聚磷菌或反硝化菌利用,很大程度上减少了曝气能耗同时强化了硝化菌的富集,这也是该工艺在低C/N条件下可实现一级A排放标准的原因所在[17].综上所述,A2/O - BCO工艺可实现原水中有机碳源的高效利用,尤其适用于处理低C/N生活污水;而对于高C/N污水,为了强化COD去除效果,可适当延长厌/缺氧水力停留时间.

2.2 C/N对氮去除性能的影响

由图3(a)可知,NH4+-N和TN的去除率密切相关,这主要是由于硝化过程为反硝化除磷提供电子受体(NO--N=NO2--N+NO3--N,其中NO3--N占绝大比例),在硝化液回流比恒定的条件下,NH4+-N的完全氧化是实现TN高效去除的基础和关键[38].Run1~Run3工况下,平均NH4+-N去除率为98.28%,98.55%和95.40%,且前2种工况下出水NH4+-N浓度基本小于1.0mg/L;在此基础上,TN去除率也随着C/N的增加呈上升趋势,当C/N为5.92时,出水TN浓度11.32mg/L,TN去除率高达82%.传统SBR工艺中脱氮过程C/N往往大于8[7],Vaiopoulou等[39]采用改良UCT工艺,在进水C/N为9.27时实现了最优的脱氮效果(TN去除率83%),本研究结果再次体现了A2/O - BCO工艺节省碳源的优势.

当C/N进一步增加到8.85,硝化效果出现恶化,出水NH4+-N浓度逐步累积,最高可达17.18mg/L,平均TN去除率仅为49.50%.结合COD的利用情况可知,氮去除效果的恶化,主要是由于进水有机物负荷过高导致的硝化不完全,进而引起TN去除率的下降.张为堂等[40]研究也发现,进水C/N增加到9.5时,NH4+-N去除率迅速下降至70%,出水NH4+-N浓度最高可达30mg/L.随后把进水C/N降为3.71,经过15d的恢复,NH4+-N去除率上升到96.51%,TN去除率也稳定在75%左右.上述现象表明,在一定范围内,增加进水C/N是改善TN去除率的有力措施,但是必须建立在NH4+-N氧化完全的基础上;否则,过高的C/N不仅造成碳源的浪费还会导致脱氮效果的恶化.这也意味着在高C/N条件下,对BCO反应器的曝气量、水力停留时间、NH4+-N负荷等运行参数的控制尤为重要.

为了进一步分析各工况下氮的去除特性,图3(b)给出了NO--N的沿程变化情况.对于Run1(C/N为2.44),由于C/N相对较低,A2/O反应器中缺氧段出水,好氧段出水,中间沉淀池出水的NO--N浓度普遍偏高(6.92~7.29mg/L),对比Run5(C/N增加为3.71),NO--N浓度降为3.09~ 3.85mg/L,说明碳源不足成为限制反硝化脱氮的主要因素.随着C/N从4.28增加到8.85,反应器沿程的NO--N浓度从0.95~2.98mg/L降为0.36~ 0.86mg/L,系统最终出水的NO--N也逐步降低,表明增加进水C/N确实有利于强化反硝化作用.

同时,通过对缺氧区反硝化负荷分析发现,Run1 ~ Run5,反硝化负荷分别为0.136, 0.152, 0.128, 0.110, 0.121kgN/(kgMLVSS·d).在高C/N运行条件下,Run3和Run4反硝化负荷的降低,表明电子受体不足限制了TN去除率的进一步提高,这一结论与NH4+-N去除率的下降吻合.笔者前期在硝化液回流比300%,进水C/N为3.50条件下,对不同容积分配比进行了优化[19],发现缺氧区的反硝化负荷为0.104kgN/(kgMLVSS·d)时,系统达到了最优的TN去除率(75.22% ~ 78.70%).本研究在硝化液回流比400%,进水C/N为4.28时,反硝化负荷达到了0.152kgN/ (kgMLVSS·d),进一步激发了DNPAOs反硝化潜能,TN去除率提高为80.5%.因此,为了实现TN的高效去除,充足的碳源和电子受体缺一不可.

2.3 C/N对磷去除性能的影响

由图4(a)可知,C/N较低时(<4.28)有利于实现PO43--P的稳定去除,其中C/N为2.44和4.28时,平均出水PO43--P浓度为0.22, 0.31mg/L,尤其在TN不能达标的情况下(当C/N为2.44,出水平均浓度18.13mg/L),PO43--P去除率超过95%.在A2N - SBR反硝化除磷系统中[41],同样发现低C/N不会影响除磷效果,C/N为3.50时,TN去除率只有66%,但PO43--P去除率可维持88%.与此不同的是,传统脱氮除磷工艺中,反硝化菌、聚磷菌在利用碳源方面存在矛盾和竞争[42],有限的碳源会优先满足反硝化再除磷,这也是传统BNR工艺脱氮除磷效率难以同步提高的主要原因.

随着C/N的继续增大,C/N达到5.29时,出水PO43--P浓度略有升高,当C/N增加到8.85,除磷效果逐步恶化,最终出水PO43--P浓度高达3.30mg/L,去除率仅为46.89%.当C/N降为3.71,仅经过10d,PO43--P去除率恢复到82%,出水浓度小于1mg/L.与脱氮性能相比,除磷效果恢复相对较快,主要原因在于:①A2/O反应器好氧区的存在有利于除磷性能的恢复[43];②DNPAOs的缺氧吸磷速率比好氧吸磷速率低[44],即意味着DNPAOs的恢复速率比PAOs慢;③反硝化菌在20℃时的最大比增长速率为0.30d-1[45],Sun等[46]对反硝化聚磷菌属进行富集培养,得出15℃时最大比增长速率为0.71d-1,聚磷菌较大的比增长速率使其在短期内可得到快速恢复.

除此之外,在试验期间的23d (Run1),56d (Run2),77d (Run3),119d (Run5)分别考察了除磷过程中内碳源PHA的利用情况(鉴于除磷效果不稳定,Run4期间未进行PHA的测定),见图4(b).当C/N为2.44时,厌氧段合成的PHA含量(An-PHA)为75.16mgCOD/gMLVSS,缺氧段剩余的PHA含量(A-PHA)为22.89mgCOD/gMLVSS, PHA的利用率为69.54%;当C/N增加到4.28, An-PHA和A-PHA分别为92.44, 22.02mgCOD/ gMLVSS, PHA利用率达到76.18%;当C/N继续上升到5.92, An-PHA增加为109.86mgCOD/ gMLVSS,但A-PHA仍残留25.89mgCOD/ gMLVSS, PHA利用率(76.43%)已没有太大的变化.PHA利用率的分析进一步验证了TN的去除特性.葛士建等[47]研究发现,在分段进水工艺中,约38%的PHA在缺氧段用来吸磷,对比结果表明本系统中存在较明显的反硝化除磷现象.此外,在脱氮除磷性能尚未恢复的119d, An-PHA和A-PHA分别为66.13, 30.63mgCOD/gMLVSS, PHA利用率仅为53.68%,表明DNPAOs的厌氧释磷和缺氧吸磷的代谢性能均有大幅度下降,因此导致了除磷效果的恶化.

图4(b)中PO43--P沿程变化,更加具体地阐释了不同进水C/N对除磷性能的影响.首先,随着C/N增加(2.44到4.28),与An-PHA变化趋势相同,厌氧段释磷量从19.85mg/L上升为32.31mg/L,缺氧吸磷占磷总去除量的百分比从92.34%上升为97.14%,表明有机物含量的增加强化了DNPAOs的代谢活性.但是当C/N为5.92时,厌氧释磷量高达41.13mg/L,电子受体不足使得缺氧段出水PO43--P浓度为3.24mg/L,残留的PO43--P在好氧段被进一步去除,缺氧吸磷百分比下降为90.12%.随后当C/N继续增加到8.85,厌氧释磷效果进一步恶化,到运行的110d,厌氧释磷量仅为14.91mg/L,到好氧吸磷结束仍有2.28mg/L剩余,除磷性能濒临崩溃.

此外,当C/N为5.92和8.85时,发现中间沉淀池有不同程度的二次释磷现象,结合系统的脱氮除磷机理[20],可知PO43--P与NO--N的去除特性密不可分.上述2种工况下,中间沉淀池的NO--N浓度为0.79, 0.36mg/L,较低的NO--N浓度促进了二次释磷现象的发生.结合图4(b)中PHA的变化过程可知:增加进水C/N促进了厌氧段PHA的合成,但是缺氧段NO--N不足是导致PHA利用率和除磷效率不高的根本原因,因此调节硝化液回流比保证反硝化过程中充足的电子受体显得很有必要.但是较高的NO--N浓度残留(Run1和Run5)又难以实现TN的高效去除.因此,为了实现氮、磷的同步高效去除,中间沉淀池的NO--N浓度应控制在2.20mg/L左右,该结果与前期的研究结论(中间沉淀池的NO--N浓度保持在1.95 ~ 2.75mg/L)[19]相吻合.

2.4 不同C/N下的同步脱氮除磷效果

综上分析,氮、磷的去除与进水C/N有明显的相关性,主要原因是由于在A2/O-BCO系统中,TN和PO43--P是在反硝化除磷这一单元同步完成的,均需要碳源的参与.本研究中发现,进水C/N的改变,对COD去除效果影响不大,但是受硝化性能的影响,氮磷的同步高效去除必须建立在电子受体充足的基础上.

如图5所示,从C/N和C/P的角度出发,对TN和PO43--P去除率的相关性进行了比较.当C/N小于4或者C/P小于40时,TN去除率不超过70%,但PO43--P的去除率基本保持在95%左右;当C/N超过7或者C/P超过80,TN和PO43--P的去除率均呈现下降趋势,去除率不超过60%.当C/N=4 ~ 5或者C/P=30 ~ 50范围内,TN和PO43--P去除率分别达到80%和96%以上,实现了氮和磷的同步高效去除.

考虑到工艺系统和运行条件的差异,不同的微生物菌群结构和代谢特性导致脱氮除磷效果千差万别[48-49],有关最佳的C/N和C/P,目前尚没有统一的定论.Wang等[41]研究发现在A2N - SBR系统中,C/N和C/P为5.8和30.8时,最优的TN和PO43--P去除率分别为79.4%和97%.在MUCT分段进水工艺中,C/N为7.42时,TN去除率高达89.2%;C/P>35时,系统可保持90%以上的磷去除率[36].Chen等[50]考察了进水C/N和硝化液回流比对A2/O-BAF系统的影响,C/N为5.5时,TN去除率最高为90.1%.尽管结论不尽相同,有关进水C/N对其他工艺的优化运行仍具有一定的借鉴意义和参考价值.

2.5 系统的控制策略和优化运行

本试验研究条件下,当C/N=4 ~ 5或者C/P=30 ~ 50,TN和PO43--P去除率最高可达80%和96%,实现了氮、磷的同步高效去除.基于不同进水C/N对A2/O-BCO系统反硝化除磷性能的研究,对工程实践具有指导意义:(1)进水C/N对COD的去除效果影响不大,厌氧段基本上实现了对绝大多数碳源的利用;在低C/N运行条件下,A2/O反应器可适当缩短水力停留时间,进一步减少基建费用;(2)强化硝化效果是提高系统氮、磷去除率的前提和保证,研究BCO反应器的抗NH4+-N冲击能力,探索 NH4+-N负荷与曝气量、水力停留时间、填料填充率等相关性,对进一步降低能耗很有必要;(3)低C/N条件下, PO43--P的去除效果相对稳定,但为了实现TN的高效去除,可延长厌氧反应时间,强化内碳源的贮存;同时减少硝化液回流比,防止过高的硝态氮负荷抑制了DNPAOs的活性;(4)高C/N条件下,可通过延长BCO反应器的水力停留时间或增大曝气量来强化硝化效果,增大硝化液回流比的同时调整缺氧反应时间,保持缺氧段合适的硝态氮负荷;同时为了保证磷的稳定去除,可适当增加A2/O中好氧区的曝气量.

3 结论

3.1 碳平衡分析表明系统绝大多数碳源是在A2/O反应器中去除,COD利用率达79.09%~ 82.84%,但为了防止过多的易降解有机物在缺氧区和BCO反应器被反硝化菌和异养菌利用,进水C/N不宜超过5.92.

3.2 进水C/N超过5.92时,NH4+-N去除率的下降导致电子供体不足,脱氮除磷效率均发生恶化;进水C/N低于3.71时,碳源不足限制了TN去除率的提高.进水C/N为4~5或者C/P为30~50时, TN和PO43--P去除率分别达到80%和96%.

3.3 进水C/N的优化与污泥特性,硝化液回流比,BCO反应器的硝化特性,各反应区的水力停留时间等多种因素密切相关.实际工程应用中,各运行参数的优化控制应因地制宜.

Cao G, Wang S, Peng Y, et al. Biological nutrient removal by applying modified four step-feed technology to treat weak wastewater [J]. Bioresource Technology, 2013,128:604-611.

Ge S, Peng Y, Wang S, et al. Enhanced nutrient removal in a modified step feed process treating municipal wastewater with different inflow distribution ratios and nutrient ratios [J]. Bioresource Technology, 2010,101(23):9012-9019.

Zeng W, Wang X, Li B, et al. Nitritation and denitrifying phosphorus removal via nitrite pathway from domestic wastewater in a continuous MUCT process [J]. Bioresource Technology, 2013,143:187-195.

Zhu G, Peng Y, Zhai L, et al. Performance and optimization of biological nitrogen removal process enhanced by anoxic/oxic step feeding [J]. Biochemical Engineering Journal, 2009,43(3):280- 287.

Baeza JA, Gabriel D, Lafuente J. Improving the nitrogen removal efficiency of an A2/O based WWTP by using an on-line Knowledge Based Expert System [J]. Water Research, 2002, 36(8):2109-2123.

Coats ER, Mockos A, Loge FJ. Post-anoxic denitrification driven by PHA and glycogen within enhanced biological phosphorus removal [J]. Bioresource Technology, 2011,102(2):1019-1027.

Carucci A, Chiavola A, Majone M, et al. Treatment of tannery wastewater in a sequencing batch reactor [J]. Water Science & Technology, 1999,40(1):253-259.

Kim D, Kim T-S, Ryu H-D, et al. Treatment of low carbon- to-nitrogen wastewater using two-stage sequencing batch reactor with independent nitrification [J]. Process Biochemistry, 2008, 43(4):406-413.

Stare A, Vrecko D, Hvala N, et al. Comparison of control strategies for nitrogen removal in an activated sludge process in terms of operating costs: A simulation study [J]. Water Research, 2007,41(9):2004-2014.

Szpyrkowicz L, Kaul S N. Biochemical removal of nitrogen from tannery wastewater: performance and stability of a full‐scale plant [J]. Journal of chemical technology and biotechnology, 2004, 79(8):879-888.

Ge S, Zhu Y, Lu C, et al. Full-scale demonstration of step feed concept for improving an anaerobic/anoxic/aerobic nutrient removal process [J]. Bioresource Technology, 2012,120:305-313.

Kuba T, Van Loosdrecht M C M, Brandse F A, et al. Occurrence of denitrifying phosphorus removing bacteria in modified UCT-type wastewater treatment plants [J]. Water Research, 1997,31(4): 777-786.

Wang Z, Meng Y, Fan T, et al. Phosphorus removal and N2O production in anaerobic/anoxic denitrifying phosphorus removal process: Long-term impact of influent phosphorus concentration [J]. Bioresource Technology, 2015,179:585-594.

Kuba T, van Loosdrecht M C M, Heijnen J J. Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system [J]. Water Research, 1996,30(7):1702-1710.

Bortone G, Saltarelli R, Alonso V, et al. Biological anoxic phosphorus removal - the dephanox process [J]. Water Science & Technology, 1996,34(s1/2):119-128.

Slhgmcmjjk T. Biological phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor [J]. Waterence & Technology, 1993,27(5/6):241-252.

Chen Y, Peng C, Wang J, et al. Effect of nitrate recycling ratio on simultaneous biological nutrient removal in a novel anaerobic/ anoxic/oxic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) system [J]. Bioresource Technology, 2011,102(10):5722-5727.

Zhang M, Peng Y, Wang C, et al. Optimization denitrifying phosphorus removal at different hydraulic retention times in a novel anaerobic anoxic oxic-biological contact oxidation process [J]. Biochemical Engineering Journal, 2016,106:26-36.

张 淼,彭永臻,王 聪,等.容积分配比对A2/O-生物接触氧化工艺反硝化除磷特性的影响 [J]. 东南大学学报(自然科学版), 2015,45(3):531-538.

Zhang M, Wang C, Peng Y, et al. Organic substrate transformation and sludge characteristics in the integrated anaerobic anoxic oxic–biological contact oxidation (A2/O–BCO) system treating wastewater with low carbon/nitrogen ratio [J]. Chemical Engineering Journal, 2016,283:47-57.

王 聪,王淑莹,张 淼,等.硝化液回流比对A2/O-BCO工艺反硝化除磷特性的影响 [J]. 中国环境科学, 2014,34(11):2844- 2850.

张 勇,王淑莹,赵伟华,等.低温对中试AAO-BAF双污泥脱氮除磷系统的影响 [J]. 中国环境科学, 2016,36(1):56-65.

吕冬梅,彭永臻,赵伟华,等.A2O-BAF反硝化除磷工艺丝状菌膨胀的发生及控制 [J]. 中国环境科学, 2015,35(10):3026-3031.

葛士建,李夕耀,彭永臻,等.改良UCT分段进水深度脱氮除磷工艺反硝化动力学性能 [J]. 北京工业大学学报, 2011,37(3):433- 439.

Lee N M, Welander T. The effect of different carbon sources on respiratory denitrification in biological wastewater treatment [J]. Journal of fermentation and bioengineering, 1996,82(3):277-285.

Elefsiniotis P, Li D. The effect of temperature and carbon source on denitrification using volatile fatty acids [J]. Biochemical Engineering Journal, 2006,28(2):148-155.

Oehmen A, Saunders A M, Vives M T, et al. Competition between polyphosphate and glycogen accumulating organisms in enhanced biological phosphorus removal systems with acetate and propionate as carbon sources [J]. Journal of Biotechnology, 2006, 123(1):22-32.

Dai Y, Yuan Z, Wang X, et al. Anaerobic metabolism of Defluviicoccus vanus related glycogen accumulating organisms (GAOs) with acetate and propionate as carbon sources [J]. Water Research, 2007,41(9):1885-1896.

Apha A W P C F. Standard methods for the examination of water and wastewater [Z]. 19th edition. American Public Health Association. Method E Apha – Awwa – Wef, 1995.

Oehmen A, Keller-Lehmann B, Zeng RJ, et al. Optimisation of poly-β-hydroxyalkanoate analysis using gas chromatography for enhanced biological phosphorus removal systems [J]. Journal of Chromatography A, 2005,1070(1):131-136.

王 聪,王淑莹,张 淼,等.厌氧/缺氧/好氧生物接触氧化处理低碳氮比污水的物料平衡 [J]. 农业工程学报, 2014,30(19): 273-281.

Chuang S-H, Ouyang C-F. The biomass fractions of heterotrophs and phosphate-accumulating organisms in a nitrogen and phosphorus removal system [J]. Water Research, 2000,34(99): 2283–2290.

Wei Y, Wang S, Ma B, et al. The effect of poly-β- hydroxyalkanoates degradation rate on nitrous oxide production in a denitrifying phosphorus removal system [J]. Bioresource Technology, 2014,170:175-182.

Peng Y, Ge S. Enhanced nutrient removal in three types of step feeding process from municipal wastewater [J]. Bioresource Technology, 2011,102(11):6405-6413.

Wang X, Peng Y, Wang S, et al. Influence of wastewater composition on nitrogen and phosphorus removal and process control in A2O process [J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2006,28(6):397-404.

葛士建,彭永臻,曹 旭,等.改良UCT分段进水工艺处理生活污水性能优化研究 [J]. 环境科学, 2011,32(7):2006-2012.

Nowak O, Franz A, Svardal K, et al. Parameter estimation for activated sludge models with the help of mass balances [J]. Water Science & Technology, 1999,39(4):113-120.

张为堂,侯 锋,刘青松,等.HRT和曝气量对AAO-BAF系统反硝化除磷性能的影响 [J]. 化工学报, 2014,65(4):1436-1442.

Vaiopoulou E, Aivasidis A. A modified UCT method for biological nutrient removal: Configuration and performance [J]. Chemosphere, 2008,72(7):1062-1068.

张为堂,薛晓飞,庞洪涛,等.碳氮比对AAO-BAF工艺运行性能的影响 [J]. 化工学报, 2015,66(5):1925-1930.

Wang Y, Peng Y, Stephenson T. Effect of influent nutrient ratios and hydraulic retention time (HRT) on simultaneous phosphorus and nitrogen removal in a two-sludge sequencing batch reactor process [J]. Bioresource Technology, 2009,100(14):3506-3512.

陈永志,彭永臻,王建华,等.A~2/O-曝气生物滤池工艺处理低C/N比生活污水脱氮除磷 [J]. 环境科学学报, 2010,30(10): 1957-1963.

张为堂,薛同来,彭永臻,等.AAO-BAF反硝化除磷系统的二次启动特性 [J]. 化工学报, 2014,65(2):658-663.

Ahn J, Daidou T, Tsuneda S, et al. Characterization of denitrifying phosphate-accumulating organisms cultivated under different electron acceptor conditions using polymerase chain reaction- denaturing gradient gel electrophoresis assay [J]. Water Research, 2002,36(2):403-412.

池勇志,李 毓,吴丽萍.城市污水前置反硝化生物脱氮工艺的动力学计算 [J]. 天津城市建设学院学报, 2004,10(2):122-124.

Sun L, Zhao X, Zhang H, et al. Biological characteristics of a denitrifying phosphorus-accumulating bacterium [J]. Ecological Engineering, 2015,81:82-88.

葛士建,王淑莹,曹 旭,等.分段进水脱氮除磷工艺中反硝化除磷的实现与维持 [J]. 化工学报, 2011,62(9):2615-2622.

曾 薇,李博晓,王向东,等.MUCT短程硝化和反硝化除磷系统中Candidatus Accumulibacter的代谢活性和菌群结构 [J]. 中国环境科学, 2013,33(7):1298-1308.

戴 娴,王晓霞,彭永臻,等.进水C/N对富集聚磷菌的SNDPR系统脱氮除磷的影响 [J]. 中国环境科学, 2015,35(9):2636-2643.

Chen Y, Li B, Ye L, et al. The combined effects of COD/N ratio and nitrate recycling ratio on nitrogen and phosphorus removal in anaerobic/anoxic/aerobic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) systems [J]. Biochemical Engineering Journal, 2015,93:235-242.

* 责任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn

Effect of influent C/N ratios on denitrifying phosphorus removal characteristics in the A2/O-BCO process

ZHANG Miao, PENG Yong-zhen*, ZHANG Jian-hua, WANG Cong, WANG Shu-ying, ZENG Wei

(Engineering Research Center of Beijing, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2016,36(5)：1366~1375

A two-sludge system combined anaerobic/anoxic/oxic with biological contact oxidation process (A2/O-BCO) was used to treat domestic wastewater. By adding sodium acetate to adjust influent carbon/nitrogen ratio (C/N=2.44 ~ 8.85), the denitrifying phosphorus removal characteristics of the system were investigated. The results showed that nitrification performance (anoxic denitrifying loading) and poly-β-hydroxyalkanoates (PHA) storage and utilization were mainly influenced by organic matter, which further effected the nitrogen and phosphorus removals. When the influent C/N ratio was 4 ~ 5, COD, TN and PO43--P removals reached to 88%, 80% and 96% respectively, which achieved high-efficiency removal of organic matter, nitrogen and phosphorus simultaneously. The material balance analysis of carbon revealed that COD removal in the A2/O reactor was 71.86% ~ 77.28% of the total COD removal, and COD removal in the BCO reactor only accounted for 2% ~ 12%, where the efficient utilization of carbon source in the A2/O- BCO process was the main reason to achieve deep denitrification and phosphorus removal under the condition of low C/N. In addition, through the correlation analysis of C/N with aeration rate, nitrate recycling ratio and anaerobic/anoxic reaction time, the optimal operation strategy of the A2/O-BCO process was proposed.

A2/O-BCO；C/N；denitrifying phosphorus removal；domestic wastewater；optimal operation

X703.5

A

1000-6923(2016)05-1366-10

张 淼(1989-),女,江苏徐州人,北京工业大学博士研究生,主要从事污水生物处理理论与应用研究.发表论文4篇.

2015-11-02

国家自然科学基金(51578014);北京市教委资助项目